DC/DC-Wandler mit mehreren Spannungsausgangen

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie deren Verwendung in einem Kraftfahrzeugsteuergerät .

Zur Bereitstellung von DC/DC-Wandlern bzw. getakteten Netzteilen mit hohem Wirkungsgrad und geringem Bauraum wurden im Stand der Technik bereits Schaltungsanordnungen vorgeschlagen, welche unter Verwendung von lediglich einer Spule mehrere geregelten Ausgangsspannungen zur Verfügung stellen. Eine entsprechende Schaltungsanordnung geht beispielsweise aus der prioritätsälteren Deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 028 434 hervor. Die in der darin beschriebenen Schaltungsanordnung eingesetzte Spule wird mittels zusätzlicher Halbleiterschalter nach Art eines Multiplexers zeitlich versetzt einer Kapazität zugeordnet, die in jedem Wandlerkreis, welcher die zusätzliche Spannung erzeugt, gesondert vorhanden ist.

Schaltungsanordnungen der obigen Art haben unter anderem den Nachteil, dass eine relativ komplexe Logik zur Zuordnung der Induktivität vorhanden sein muss. Zudem ergeben sich durch den Umschaltvorgang nachteilige Totzeiten.

Es besteht daher die Aufgabe, eine alternative Schaltungsanordnung für einen DC/DC-Wandler anzugeben, welche gegenüber Schaltungsanordnungen der vorstehend beschriebenen Art vereinfacht ist und zudem keine Totzeiten aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1.

Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh-

rungsbeispiels an Hand von Figuren.

Es zeigen

Fig. 1 einen DC/DC-Abwärtswandler nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Schaltungserweiterung für zusätzliche Ausgangsspannungen,

Fig. 3 eine mit mehreren der in Fig. 2 dargestellten Teilen erweiterte Schaltung nach Fig. 1,

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 3, welche eine zusätzliche Logik umfasst,

Fig. 5 ein Diagramm, in dem der zeitliche Verlauf der PWM-Signale dargestellt ist,

Fig. 6 eine gegenüber der Schaltungsanordnung in Fig. 3 weiter optimierte Schaltungsanordnung und

Fig. 7 eine gegenüber der Schaltungsanordnung in Fig. 3 noch weiter optimierte Schaltungsanordnung.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines bereits bekannten DC/DC-Abwärtswandlers . PWM-Generator 3 wirkt über Leitung mainPWM auf Hauptschalter 1 swl in der Weise ein, dass ein Rechtecksignal erzeugt wird. Hauptschalter 1 und die weiter unten erwähnten Schalter in den zusätzlichen Schaltstufen umfassen bevorzugt ein oder mehrere schaltende Halbleiterelemente, wie z.B. FET ^' s, IGBT ^' s oder Transistoren. Spule L bildet mit Kondensator Cl einen Tiefpass zweiter Ordnung. Hauptschalter 1 ist an einer ersten Klemme mit ei-

ner Spannungsversorgung Power verbunden. Die Versorgungsspannung enthält zumindest einen DC-Anteil und kann zudem geregelt oder ungeregelt sein. An der zweiten geschalteten Klemme von Hauptschalter 1 ist dieser mit Spule L 10 sowie einer in Sperrrichtung geschalteten Diode D leitend verbunden. Die Anode von Diode D ist mit einem Bezugspotential verbunden. PWM-Generator 3 ist ein sogenannter „DU / PWM,,- Wandler, mit dem in Abhängigkeit der Differenzspannung am Eingang des Wandlers die Pulsbreite der PWM variiert wird. Wenn ein DU-Eingang des Wandlers 10 an eine Referenzspannung refl geklemmt wird und der zweite DU-Eingang mit dem Ausgang outl verbunden wird, stellt am Ausgang unabhängig von der Last eine der Referenzspannung entsprechende Ausgangsspannung an Ausgang outl ein.

In Fig. 2 ist ein Schaltungsteil dargestellt, welcher lediglich zur Erläuterung der Schaltungsanordnung in Fig. 3 dient .

Die Schaltungsanordnung in Fig. 3 geht von einer Wandlerschaltung gemäß Fig. 1 aus und erweitert diese mehrfach unter Verwendung des in Fig. 2 dargestellten Schaltungsteils. Durch die Erweiterungen lassen sich weitere Spannungen zur Verfügung stellen. Die weiteren Spannungen werden in Form von zusätzlichen Lasten an den Ausgang out 1 der ersten Stufe mit angeklemmt. Bei der dargestellten Schaltungsanordnung ist nachteilhafterweise für jede zusätzliche Ausgangsspannung (out2... outn) ein weiterer Kondensator (C2...Cn), ein Schalter (sw2...swn) und ein zusätzlicher „DU / PWM„ - Wandler 6, 6' erforderlich.

In der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 stellt sich das Signal mainPWM automatisch so ein, dass der Energiebedarf aller Verbraucher gedeckt wird. Die PWM-Signale der einzelnen zu-

sätzlichen Wandlerblöcke 6, 6' (PWM2... PWMn) wiederum regeln ihren Teilbedarf an der Gesamtenergie mit Hilfe der jeweiligen Schalter 5, 5 ^' . Zweckmäßigerweise sind Schaltungsmittel vorhanden, welche sicherstellen, dass die zusätzlichen Wandlerblöcke (PWM2.. PWMn) nur dann zuschalten, wenn auch der Hauptschalter (swl) geschlossen ist und somit dem Stromkreis gerade Energie zugeführt wird. Auf diese Weise wird eine Regelabweichung irgendeiner Ausgangsspannung (z.B. durch erhöhte Last) indirekt in eine änderung der mainPWM umgesetzt. Umgekehrt, bei geringerem Energiebedarf eines Verbrauchers, schaltet dessen Schalter (swn) vorzeitig ab und verringert dessen Energieangebot.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht also darin, dass (prinzipiell beliebig viele) Ausgangsspannungen parallel und somit ohne eine Totzeit erzeugt und eingeregelt werden können. Gegenüber der in der Einführung genannten Schaltung mit einem Multiplexer schalten die einzelnen PWM-Steuersignale der Zusatzregler nicht zyklisch nacheinander für eine bestimmte Dauer (Timeslot) auf den Hauptschalter und gleichzeitig den Spulenausgang auf den dem PWM zugehörigen Ausgangsknoten um. Es handelt sich deshalb nicht um eine serielle Ansteuerung, bei der im Grunde pro Timeslot ein eigener Schaltregler pro Ausgangsspannung outn entsteht.

In Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die durch Logik 12 erweitert wurde. Die einzelnen PWM-Signale der zusätzlichen Stufen werden zur Erzeugung eines gemeinsamen mainPWM-Signals herangezogen. Hierfür werden die PWM- Signale der zusätzlichen PWM-Wandler 6, 6' in einen Logik- Block 12 geführt, welcher eine geeignete Schaltfolge für den Schalter 1 in Abhängigkeit der PWM-Signale der zusätzlichen PWM-Generatoren 6 und 6 ^' erzeugt. Eine besonders einfache Verknüpfung in Logik 12 kann bevorzugt dadurch erfolgen,

dass das mainPWM-Signal durch eine ODER-Verknüpfung der Eingänge von Logik 12 erzeugt wird. Der Ausgang von Logik 12, welcher das Gesamt-PWM-Signal mainPWM erzeugt steuert direkt den Hauptschalter (swl) an. Eine direkte Verbindung von PWM- Wandler 3 zu Schalter 1 besteht im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 dann nicht mehr.

Während des Betriebs der obigen Schaltungsanordnung fordern die Zusatzsteuersignale (PWMi ... PWM _n ) das Signal mainPWM direkt über Hauptschalter 1 von der Stromquelle an. Durch Logik 12 werden die Anforderungen der Nachfolgestufen unverzö- gert an die erste PWM-Stufe übertragen, so dass bei Lastsprüngen geringere Spannungseinbrüche entstehen.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 hat weiterhin den Vorteil, dass sich anwenderseitig auf einfache Weise die Zeitkonstanten der einzelnen Zusatzregler an die jeweiligen Anforderungen anpassen lassen, zum Beispiel in dem Zusatzregler eingesetzt werden, die "breitbandig" sind und damit schnell auf Lastsprünge reagieren.

In Fig. 5 ist der zeitliche Verlauf der Ansteuerspannungen der einzelnen PWM-Signale bei einer Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 4 dargestellt. Das Signal der ersten Wandlerstufe mainPWM ergibt sich aus der ODER-Verknüpfung der Einzelsignale PWM ₁ , PWM ₂ .... PWM _n .

In Fig. 6 sind zusäztlich zu den bereits bei Fig. 4 beschriebenen Elementen der Schaltung zusätzliche Dioden D2 ...Dn zwischen Spule L und den Schaltern 5, 5' der zusätzlichen Stufen 4 geschaltet, wobei jeweils die Anoder der Dioden mit Klemme 10 ^' der Spule L verbunden ist. Die Kathode der Diode Dl der Stufe 2 mit dem Haupt-PWM-Regler 3 ist in ähnlicher Weise mit dem Ausgang outl verbunden. Die Anode

von Diode Dl ist am gleichen Punkt wie die Dioden D2 ... Dn der Spule L angeklemmt.

Durch die zusätzlichen Dioden kann die Verlustleistung der Schaltung reduziert werden, da eine reine Stromeinspeisung realisiert wird.

Gemäß einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 6 derart abgewandelt, dass die Dioden D2 bis Dn entfernt werden und die Schalter 5, 5' der weiteren Stufen mit outl bzw. mit der A- node der Diode Dl verbunden werden. Diese Schaltungsvariante ist dann besonders zweckmäßig, wenn die Einschaltzeiten der zusätzlichen Schalter 6, 6 ^' sich gegenseitig nicht überlappen, also mit anderen Worten ein abwechselndes Einschalten dieser Schalter durch eine geeignete Ansteuerlogik 12 eingehalten wird.

Die Schaltungsvariante in Fig. 7 umfasst lediglich die im Zusammenhang mit Fig. 6 beschriebene Diode Dl im Hauptreglerkreis 2. Die übrigen zusätzlichen Stufen 4 enthalten keine Dioden. Parallel zu Diode Dl ist ein durch eine nicht weiter dargestellte zusätzliche Logik anteuerbarer Halbleiterschalter angeordnet. Im Gegensatz zur Schaltungsanordnung in Fig. 6 sind außerdem die Schalter der zusätzlichen Wandlerstufen 4 mit der Anode der Diode Dl leitend verbunden.

Im Betrieb der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 7 wird Schalter 13 durch die nicht dargestellte Logik so angesteuert, dass bei einer nur geringen Leistungsentnahme die Diode ü- berbrückt wird. Im überbrückten Zustand entspricht die Schaltungsanordnung dann hinsichtlich ihres zweiten Betriebszustandes dann der Schaltungsanordnung in Fig. 3. Die Schalter 5 und 5 ' in den zusätzlichen Stufen müssen wie bei

dem nicht dargestellten Beispiel im Zusammenhang mit Fig. 6 ebenfalls so angesteuert werden, dass diese niemals gleichzeitig eingeschaltet sind. Im Falle einer überbrückten Diode besitzt der DC/DC-Wandler zwar eine höhere Verlustleistung, jedoch ist die Restwelligkeit der Spannung geringer, als im Betriebszustand mit nicht überbrückter Diode. Wird jedoch eine hohe Leistungsabgabe erforderlich, lässt sich die Schaltungsanordnung in den Zustand mit geringerer Verlustleistung auf einfache Weise überführen. Diese Umschaltung kann bevorzugt in Abhängigkeit eines Temperatursensors oder eines vergleichbaren Elements zur Temperaturbestimmung durchgeführt werden.

Gemäß einem nicht dargestellten Beispiel der Schaltungsanordnung nach Fig. 7 ist es ebenfalls möglich, zusätzliche Dioden D2 bis Dn mit deren Anode am Ausgang von Spule L anzuschließen, wie dies prinzipiell im Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben ist. Im hier beschriebenen Beispiel werden dann entsprechend dem Gedanken im Zusammenhang mit Fig. 7 auch den zusätzlichen Dioden D2 bis Dn weitere zusätzliche Schalter - entsprechend Schalter 13 in Fig. 7 - zur überbrückung parallelgeschaltet. Auf diese Weise kann während des Betriebs der Schaltung in Abhängigkeit von der Last zwischen der Funktionsweise der Schaltungsanordnung in Fig. 4 und Fig. 6 je nach Bedarf umgeschaltet werden.